Początkowo małżonkę księcia przyjęto w Serbii z rozczarowaniem, Serbowie mieli bowiem nadzieję, że Milan weźmie ślub z rosyjską księżniczką. Natalia szybko zyskała jednak sympatię społeczeństwa swoim zachowaniem, charakterem, zaangażowaniem w opiekę nad rannymi żołnierzami, a ostatecznie tym, że już rok po ślubie urodziła następcę tronu.
Małżeństwo Natalii i Milana początkowo było bardzo szczęśliwe. Książę był zakochany w swojej żonie, miała ona dobry wpływ na jego gwałtowny i nerwowy charakter. Następnie jednak doszło między nimi do sporów politycznych: Natalia była przekonaną rusofilką, podczas gdy Milan skłaniał się ku sojuszowi z Austro-Węgrami. Do sporów dochodziło również w życiu prywatnym. Natalia przekonała męża, by obaj urodzeni w ich małżeństwie synowie otrzymali imiona rozpowszechnione w Rosji – Aleksander i Sergiusz, podczas gdy Milan chciał nadać jednemu z synów imię swojego ojca i założyciela dynastii Obrenoviciów – Miłosz. Małżonkowie ostatecznie oddalili się od siebie po śmierci drugiego syna, który zmarł pięć dni po narodzeniu.